（机械制造及其自动化专业论文）基于linux的开放式数控系统界面开发及通讯研究.pdf

摘要 摘要 在2 1 世纪，制造业所面临的激烈市场竞争迫使数控系统朝着高精、高效、 智能化、网络化的方向发展。然而，传统数控系统的结构封闭，功能单一，开 发周期长，成本高等问题，已经成为制约制造业发展的瓶颈。随着软件技术在 全世界范围内飞速发展，国内外很多研究机构纷纷提出了开放式数控系统的概 念并进行了相关研究。 本文在详细分析了开放式数控系统国内外研究现状之后，借鉴欧盟的 o s a c a 和o c e a n 、美国的o m a c 和e m c 2 、日本的o s e c 等项目的开发经 验，特别是e m c 2 增强型机床控制系统，以其优异的系统功能、开放源代码等 众多优点，成为本文研究和开发工作的基础平台。 e m c 2 是基于l i n u x 操作系统及其实时扩展r t a i 的控制系统，主要包括四 大模块、一个硬件抽象层( h a l ) 和一个软p l c 控制器组件( c l a s s i c l a d d e r ) ， 四大模块分别是g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 模块、运动控制器模块( m o t i o n c o n t r o l l e re m c m o t ) 、离散i 0 控制器模块( d i s c r e t ei 0c o n t r o l l e re m c i o ) 和任务执行器模块( t a s ke x e c u t o re m c t a s k ) 。模块之间的通讯采用基于r c s 库的n m l 通讯机制，大大增加了系统的可移植性。另外e m c 2 实现了可重配 置性，只需要编辑几个简单的配置文件即可完成。e m c 2 很好地满足了开放式 数控系统的特征和要求，属于典型的开放式控制系统，并已经在全世界范围内 的很多领域得到了成功的应用。 本论文就是参照e m c 2 控制系统的结构和特点，结合实时同步工业以太网 络，在e m c 2 控制系统的基础上进行了部分功能的开发。开发内容主要分为两 大部分：第一部分是基于q t 的e m c 2 数控系统界面开发，这一部分又分为上 下两层接口的设计，即上层与机床操作人员接口文件的设计和下层与e m c 2 控 制系统任务执行器模块接口文件的设计；第二部分是基于c + + 的实时以太网通 讯程序设计，然后采用实时以太网取代计算机并口等实现数控系统与机床本体 之间的通讯。 在基于q t 的e m c 2 数控系统界面开发中，首先详细研究了e m c 2 控制系统 的内部结构和通讯方式；然后在开发工具的选择上对q t 和其它同类开发工具进 行了分析和比较，q t 以其优异的特性，特别是先进的信号和槽通讯机制，成为 【i 东大学硕卜学位论文 曼曼曼曼皇曼! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼晕皇曼鼍m 一一_ 一一一i o 皇曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼 开发工具的首选；最后开发了基于q t 的e m c 2 数控系统界面，并采用计算机 并口输出步进脉冲，对开发的界面进行了正确性测试和验证。 在基于c + + 的实时以太网通讯程序设计中，工作重点集中在l i n u x 平台上 基于链路层的数据包捕获和发送程序设计上。在详细分析了l i n u x 平台上 l i b p c a p 和l i b n e t 开发包之后，采用l i b p c a p 库提供的a p i 开发了链路层数据包 捕获程序的设计；然后结合实时以太网通讯协议，对要发送的以太网帧进行构 造，采用l i b n e t 库提供的a p i 设计了链路层发包程序。最后使用q t 开发了测 试界面，对程序的正确性进行了验证。 关键词：e m c 2 ；q t ；n m l ；l i b p c a p ；l i b n e t ；开放式数控系统 a b s t r a c t a b s t r a c t b e c a u s eo fd r a s t i cm a r k e tc o m p e t i t i o nc o n f r o n t e db ym a n u f a c t u r i n gc o r p o r a t i o n s ， c n cs y s t e mi s d e v e l o p i n g t o h i g h - p r e c i s i o n ，h i g h - s p e e d ，h i g h e f f i c i e n c y , i n t e l l e c t u a l i z e da n dd i s t r i b u t e dn e t w o r ka b i l i t yi n21 或c e n t u r y h o w e v e r ，t r a d i t i o n a l n cs y s t e mh a v eal o to fd i s a d v a n t a g e s ，f o re x a m p l e ，t h ec l o s es t r u c t u r e ，s i m p l e x f u n c t i o n s ，a l o n g r e s e a r c h p e r i o d a n dh i g hc o s t se t e w h i c hh a v ec o n f i n e d m a n u f a c t u r i n gd e v e l o p m e n t s w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to fs o f t w a r et e c h n o l o g i e s ， m a n yr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n sb r o u g h tf o r w a r do n eo p e na r c h i t e c t u r ec n cs y s t e ma n d d i dl o t so fr e s e a r c ho nt h i sf i e l di ns u c c e s s i o n b a s e do nd e t a i l a n a l y s i so fr e s e a r c ha c t u a l i t i e sa th o m ea n da b r o a d , t a k i n g a d v a n t a g e so fe u r o p e a no s a c aa n do c e a np r o j e c t s ，a m e r i c a no m a ca n d e m c 2 p r o j e c t s ，a n dj a p a n e s eo s e cp r o j e c t ，e s p e c i a l l yt h ee m c 2s y s t e mw h i c hh a s e x c e l l e n ta n dr i c hf u n c t i o n sa n di sa l lo p e ns o u r c ep r o j e c t , h a sb e c o m et h eb a s i so f o u rr e s e a r c h e m c 2i sac o n t r o ls y s t e mb a s e do nl i n u xo sa n di t sr e a l - t i m ee x t e n s i o nr t a i i t c o n s i s t so ff o u rm o d u l e s ，o n eh a la n do n es o f h 再, a r ep l c ( c l a s s i c l a d d e r ) n ef o u r m o d u l e si n c l u d eg u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) ，t a s ke x e c u t o re m c t a s k , m o t i o n c o n 臼o l l e re m c m o ta n dd i s c r e t ei oc o n 仃o l l e re m c i o n m lb a s e d0 1 1r c si s u s e dt oc o m m u n i c a t ea m o n gt h ef o u rm o d u l e s ，w h i c hi m p r o v e st h et r a n s p l a n t a b l e a b i l i t yo ft h ee m c 2 b e s i d e s ，e m c 2i sae o n f i g u r a b l ec o n t r o ls y s t e ma n da l lw e n e e dt od oi se d i t i n gaf e wh u m a nr e a d a b l et e x tf i l e sn a m e dc o n f i g u r a t i o nf i l e s s o e m c 2a n s w e r sf o ro p e nc n cc o m p l e t e l ya n dh a sb e e nu s e ds u c c e s s f u l l yi nm a n y f i e l d sa l lo v e rt h ew o r l d 1 1 l et a s ko ft h i sp a p e ri n v o l v e sp a r t - r e d e v e l o p m e n to fe m c 2s y s t e m ，t h ea d v a n t a g e s o fw h i c ha r ek e p ta n dt h ed i s a d v a n t a g e sa r em o d i f i e d 1 1 1 et a s kc o n s i s t so ft w o p a r t s ： 山东大学硕i j 学位论史 t h ef i r s tp a r ti st h ed e v e l o p m e n to fe m c 2g u ib a s e do nq ta n dt h es e c o n di st h e d e s i g no fr e a l - t i m ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m s t h e nt h ef i r s tp a r ti sa l s o d i v i d e di n t ot w ol a y e r s ：t h eu p p e rl a y e ri n v o l v e st h ed e s i g no fe m c 2g u ia n dt h e u n d e ro n et h ed e v e l o p i n go ft h ei n t e r f a c ew i t he m c t a s km o d u l e d u r i n gt h ed e v e l o p m e n to fc n cg u ib a s e do nq t ，t h ei n t e r n a l s t r u c t u r ea n d c o m m u n i c a t i o no fe m c 2s y s t e ma r er e s e a r c h e di nd e t a i lf i r s t l y t h e nb yc o m p a r i n g s o m ep r e v a l e n ts o f t w a r ea n dq t ，t h i sp a p e rc h o o s e sq tf o rp r o g r a m m i n g ，w h i c hh a s l o t so fe x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c s ，e s p e c i a l l yt h ea d v a n c e ds i g n a la n ds l o tm e c h a n i s m f i n a l l y , t h ee m c 2g u ii sd e s i g n e db a s e do nq ta n dt h eni st e s t i f i e ds u c c e s s f u l l y w i t ht h ep cp a r a l l e lp o r t a sf o rt h ed e s i g no fr e a l - t i m ee t h e m e tc o m m u n i c a t i o np r o g r a m ，i tf o c u s e so np a c k e t c a p t u r i n ga n ds e n d i n gf r o ml i n kl a y e ro i ll i n u xb o x a f t e ra n a l y z i n go fl i b p c a pa n d l i b n e tl i b r a r yf o rl i n u xi nd e t a i l ，w ed e s i g nap a c k e t c a p t u r i n gp r o g r a mw i t h l i b p c a pl i b r a r yf r o m l i n kl a y e r t h e n a c c o r d i n g t ot h er e a l t i m ee t h e m e t c o m m u n i c a t i o np r o t o c o l ，w eb u i l de t h e m e tf r a m e sa n dd e v e l o pap a c k e t - s e n d i n g p r o g r a mw i t l ll i b n e ta p if r o ml i n kl a y e r f i n a l l yat e s tm o d u l ei sd e s i g n e dw i 廿1q t a n dt h ep r o g r a m sm e n t i o n e da b o v ea r et e s t i f i e ds u c c e s s f u l l y k e y w o r d s ：e m c 2 ；q t ；n m l ；l i b p c a p ；l i b n e t ；o p e nc h i c 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研 究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：j 盘压牡 b期：逊纠红尘 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅； 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：三煎吐匿马 导师签名：么芝坐 日 期：邀q 丝 第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 1 1 1 数控系统现状及其发展趋势 机械加工装备从2 0 世纪4 0 年代左右的传统自动化制造技术发展成为上世 纪7 0 年代左右以数控技术为核心的柔性制造技术【。在2 1 世纪以市场需求为 中心的激烈竞争中，产品个性化和缩短上市时间是制造业厂家急需解决的问题， 开发快速可重构体系结构的数控设备和制造系统是对用户驱动的市场需求做出 灵活、快速响应的关键【2 1 。同时制造企业的网络化、集成化迫切要求数控系统 能够适应网络化、分布式计算和控制环境。以数字化为特征的数控机床是柔性 1 化制造系统和敏捷化制造系统的基础装备。随着信息技术的快速发展及其与数 控技术的融合，数控技术正朝着高精化、高速化、高效化、柔性化、集成化和 智能化的方向发展【3 1 。 然而，传统数控系统的结构封闭，很难采纳主流的计算机与信息技术。由 于用户向控制系统集成功能非常困难，不能充分利用自己的专有知识来形成有 自己特色的产品。各数控系统生产厂家的产品软硬件不兼容，用户不能对数控 系统进行改造升级，使得用户过度依赖产品提供者，造成成本增加。系统功能 固定单一，不具有柔性和可重构性，不利于以市场为导向的产品设计开发制作， 很难在激烈的市场竞争中占有一席之地。传统数控系统人机界面不灵活，系统 的培训和维护费用昂贵。 目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用、封闭、开环控制模式向通 用、开放、实时动态、全闭环控制模式发展。经过几十年的发展，开放式数控 已经成为c n c 发展的主流【4 1 。 1 1 2 开放式数控系统软件化研究 研究开放式数控系统的主要目的之一就是要解决变换频繁的市场需求与封 闭控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系 山东大学硕 ：学位论文 统的柔性，降低再次开发的难度 5 1 。或者说，开放的目的就是使n c 控制器与 当今的p c 机类似，系统构筑于一个统一的、开放的平台上，具有模块化组织 结构，允许用户根据需要进行选配和集成、更改或扩展系统的功能，以便迅速 适应不同的应用需求。 与传统数控系统的封闭性以及价格昂贵形成鲜明对比的是，p c 微处理器和 硬件市场由于激烈的竞争，而导致价格逐步降低。为了提高生产效率和产品精 度，国外大约5 0 的工业控制领域已经不再采用单独的控制主板来完成工作， 而是采用双主板、三主板甚至更多来完成系统任务 6 1 。 同时，软件技术也在全世界范围内飞速发展，软件开发模式从面向对象技术 到组件技术的转变，大大提高了软件产品的柔性、可移植性以及可重构性【7 1 。 尤其是开源软件以及开源操作系统的快速发展，不仅软件开发速度大大提高， 技术支持越来越方便，最为重要的是开源软件的发展带来的产品的低成本。 i e e e 将开放式数控系统定义为：能够在多种平台上运行，可以和其他系统 互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。开放式数控系统具有以下 基本特征【8 】【9 】： 可互换性，构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的控 制，可根据功能、可靠性、性能要求相互替换，不影响系统整体的协调运 行； 可伸缩性，c n c 系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改。控制系统的 大小( 硬件或软件模块) ，可根据具体应用增减； 可移植性，系统的功能软件与设备无关，各种功能模块运行于不同的控制 系统内，即能运行于不同供应商提供的硬件平台上； 可扩展性，c n c 用户或二次开发者能有效地将自己的软件集成到n c 系统 中，形成自己的专用系统，功能的增减只需功能模块的装卸； 可互操作性，通过标准化接口，通信和交互机制，使不同功能模块能以标 准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的相互操作能力，协 调工作。 第1 章绪论 1 2 开放式数控系统的国内外研究现状 要实现控制系统的开放性，首先需要有一个被广泛遵循的标准。国际上一些 工业化国家都开展了这一方面的研究，旨在建立一种标准规范，使得控制系统 软硬件与供应商无关，并且实现可移植性、可扩展性、互操作性、统一的人机 界面风格和可维护性以取得产品的柔性、降低产品成本和使用的隐形成本、缩 短产品供应时间【1 0 1 。 1 2 1 欧盟的o s a c a o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l sw i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 借鉴了i s o 的o s i 参考模型，通过对现有控制系统的详细分析，提出了一个“分 层的系统平台+ 结构功能单元的结构。o s a c a 认为一个开放式控制系统应该 以一个系统平台为基础，由一组逻辑上离散的功能部件组成，控制系统本身不 带有平台的任何信息；在平台之间定义了很好的接口，允许不同的供应商提供 的组件之间可以协调工作；控制器可以运行在不同的系统平台上【l l 】。 图1 1o s a c a 体系结构 o s a c a 系统中的结构功能单元( a o ，a r c h i t e c t u r eo b j e c t ) 是实现其开放 性的关键，每一个a o 都独立于系统平台，它们之间通过o s a c a 系统的核心 进行通讯，如图1 1 所示，该系统的结构是一种星状结构。o s a c a 系统平台最 重要的核心部分是通讯部分。通讯系统主要是通过客户及服务器模式实现的。 星状结构采用的是一种集中式的访问控制策略，所有通讯均由中央节点 ( o s a c a 通讯系统) 控制，因此中央节点结构复杂，但这一问题已由o s a c a 本身解决。由于所有的信息流都要经过中央节点，所以系统的通讯效率较低。 芝 黜溉 山东人学硕l j 学1 节论丈 该体系结构较好地满足了可移植性、可替换性、互操作性的要求。在数控系统 中的各个组成部分之间存在着明确的隶属关系和层次关系，而o s a c a 中的a o 在逻辑上具有同等的地位，这种划分打破了系统中的这种本质联系，在数控系 统实际的重构过程中，用户必须重新建立这种关系。a o 具有较大的灵活性， 但是粒度和功能划分不明确，导致无法实现即插即用的模块。o s a c a 的体系 结构实现了对计算机硬件的独立性，实现了对操作系统无关性，实现了对通讯 的独立性，但如何实现对于数控中大量存在的机电设备的独立性解决的并不彻 底【1 1 1 。 1 2 2 美国的o m a c 美国的o m a c ( o p e nm o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 没有提供一个固定 的基础的体系结构，也没有提供有关硬件平台和软件平台的信息，没有指定操 作系统。o m a c 通过对通用控制器按类的分解得到了基类，将基类分组就组成 了模块，模块是组成控制系统的即插即用元件。一个控制器通过选择模块的不 同实现来产生。o m a c 采用一种搭积木的思想来构造控制系统，设计者在完成 了分解之后，预制特定的模块，这些模块具有通用的接口，模块集合在一起组 成了一个库。构造系统时只需要从库中选取模块拼接在一起就可以了，模块可 以被重新利用或继承【1 2 1 。 o m a c 采用的这种结构，从体系结构的观点来看，属于整体性结构，它采 用一种直接的通讯机制，系统中的每一个模块都具有良好定义的接口，模块间 的调用很自由。o m a c 的模块具有明确的外部接口，因而该系统结构能够较好 地实现即插即用的目标。o m a c 直接采用i d l ( i n t e r f a c ed e f i n i t i o nl a n g u a g e ) 消除了对于编程语言和操作系统的依赖性。o m a c 的整体式结构是将复杂的数 控系统分解为相对独立、简单和易于实现的模块，可以缩短操作系统的研制周 期，提高系统的实现效率。由于整体式结构是从功能的观点而不是从资源的观 点来设计系统，致使模块之间牵扯过多，有可能造成循环依赖，从而降低了模 块的相对独立性。系统升级时将牵涉几乎所有的模块，都需要进行修改，较为 困难【1 2 1 。 4 第1 章绪论 1 2 3 日本的o s e c o s e c ( o p e ns y s t e me n v i r o n m e n tf o rc o n 仃o l l e ra r c h i t e c t u r e ) 的结构属于层 次性结构，它定义了一个七层参考模型，根据层次间的耦合程度又形成了三个 功能组，如图1 2 所示。它将数控系统按功能分层，每一层按照功能分为若干 个模块，层次间具有单向调用或者依赖关系，每一层都在其下层建立，下层为 上层提供所需要的服务。同一层的模块间按照一定的接口关系自由调用。o s e c 提出了n c 是分布式制造系统的一个服务器的观点，这实际上意味着从最大粒 度整个数控系统程度上的对外开放，而这是分布式制造系统实现的基础。 o s e c 的系统结构是局限于数控系统的直接描述，适应性不够强。它的每个处 理层都被划分为两个部分：n c 基本功能和可变功能部分。可变功能部分可以 用其它可变功能部分替换。这一开放粒度比较大，灵活性较o s a c a 、o m a c 兰1 1 3 to 1 2 4 欧盟的o c e a n c a d 工艺规划 上 加工过程控制 轨迹控制离散事件控制 轴控制设备控制 0 执行器执行器 过程 图1 2o s e c 体系结构 o c e a n ( o p e nc o m o u e re n a b l e db y 锄a d v a n c e d r e a l - t i m en e t w o r k ) 是o s a c a 计划的延续，它首先研究了o s a c a 、o m a c 和o s e c 等计划，发 现他们开发的控制器实际应用效果并不理想，比如到目前为止o s a c a 都没有 实现实时通讯，也无法保证系统的动态配置，o m a c 和o s e c 都没有支持分布 山东大学硕f j 学位论文 量曼曼皇曼曼曼曼m m m m! i 毫曼曼曼 式控制的通讯平台。o c e a n 项目考虑到自由软件在近年来的蓬勃发展，充分 利用计算机领域的最新研究成果，形成了自己的技术路线，即采用l i n u x 和r t a i 作为控制器的操作系统；采用开放源代码的t a o ( t h e a c eo r b ，r t - c o r b a 规范的实现之一) 作为实时通讯平台；采用开放源代码的基于t a o 的c i a o ( c c m 规范的实现之一) 建立数控组件模型。依据这样的技术路线，o c e a n 开发了一个分布式控制系统实时通讯平台( d c r f , d i s t r i b u t e dc o n t r o ls y s t e m r e a l t i m ef r a m e w o r k ，作为开放源码发布) 和一个组件化的开放式数控参考体 系结构( 不开放源码) 1 4 1 。 定义并实现分布式控制系统实时框架d c r f ，如图1 4 所示。d c r f 为 数控组件提供了分布式运行平台，并提供了一套实时的通讯a p i 。d c r f 的构成将完全基于开源组件，例如操作系统选择了r t - l i n u x ( r e a l t i m e l i n u x ) 、通讯机制选择了r t - c o r b a ( r e a l t i m ec o m m o no b j e c tr e q u e s t b r o k e r a r c h i t e c t u r e ) ，并且最终成果也将会以开源形式发布。 定义并实现基于组件的开放式数控参考体系结构。为了发挥开放式控制 系统的优势，需要对现有的参考体系结构进行扩展，并将其分解为若干 独立的组件，同时为每个组件给出定义清晰的接口。虽然该开放式体系 结构不会以开源的形式发布，但它对外提供标准化的接口，使各种运动 6 控制组件可以利用d c r f ，这就为新功能和第三方软件的集成提供了可 能。 g p c l o a d e r b c t s a f p t y y a p i 丫 c 。m m u n i c r c t a t 霉i o r n b a p ，1 a t f 。r m o s 。r t 二。n u x ， b c tb c t l t a p i v c o m m u n i c a t i o np l a t f o r m ( r t c o r b a ) t o s ( r t l i n u x ) h a r d w a r e：i n t e r f a c e ： i n t e r f a c e h a r d w a r e 一i 二嗉蠹i 二_ 一 b c t ：b a s ec o m p o n e n tt e m p l a t e 0 s ：o p e r a t i n gs y s t e m g p c ：g e n e r a lp u r p o s ec o m p o n e n t 图1 3 分布式控制系统实时框架( d c r f ) 第l 章绪论 1 2 5 美国的e m c 2 e m c 2 ( t h ee n h a n c e dm a c h i n ec o n t r o l l e r ) 是基于l i n u x 平台的开放源代码 的控制系统，它采用模块化的结构，主要包括四大模块、一个硬件抽象层( h a l ) 和一个软p l c 控制器组件( c l a s s i c l a d d e r ) ，四大模块分别是g u i ( g r a p h i c a lu s e r i n t e r f a c e ) 模块、运动控制器模块( m o t i o nc o n t r o l l e re m c m o t ) 、离散i o 控 制器模块( d i s c r e t ei oc o n t r o l l e re m c i o ) 和任务执行器模块( t a s ke x e c u t o r e m c t a s k ) 。e m c 2 采用基于r c s 库的n m l 通讯机制实现各模块之间的通讯。 e m c 2 的体系结构如图1 4 所示。 e m c 2 数控系统 l i b n m l 库( r c s 子库)开发环境 l i n u x + r t a i 硬件 图1 4e m c 2 体系结构 1 2 6 我国开放式数控系统研究现状 我国在2 0 0 2 年1 2 月3 日正式颁布了开放式数控系统国家标准并于2 0 0 3 年 0 1 月0 1 日开始实行【1 5 1 。目前，按其技术规范的体系结构而开发的硬件平台和 基于l i n u x 和w i n d o w sn t 操作系统的软件平台已经得到应用，并开始在部分 机床和机械产品上试用。 1 3 课题提出及研究的意义 1 3 1 课题的提出 通过上一节对国内外各大主要开放式控制器研究组织研究内容和研究现状 的分析，可以得出以下结论：开放式数控系统= 一个支持数控系统跨平台交互 的实时通讯平台+ 一个支持“即插即用”数控系统组件的参考体系结构。 美国e m c 2 控制系统采用先进的、基于r c s 库的n m l 通讯机制实现了本 地或者远程跨平台交互的通讯能力；并采用模块化的体系结构，完全符合开放 山东大学硕l j 学 讧论文 式数控系统的概念。而且它现在已经在世界各地的很多领域得到了成功的应用， 是一个成熟的开放式控制系统。 本论文就是参照e m c 2 控制系统的结构和特点，结合实时同步工业以太网 络，在e m c 2 控制系统的基础上进行了部分功能的开发。开发内容主要分为两 大部分：第一部分是基于q t 的e m c 2 数控系统界面开发，这一部分又分为上 下两层接口的设计，即上层与机床操作人员接口文件的设计和下层与e m c 2 控 制系统任务执行器模块接口文件的设计；第二部分是基于c 抖的实时以太网通 讯程序设计，然后采用实时以太网取代计算机并口等实现数控系统与机床本体 之间的通讯。既满足了数控系统的复杂性要求，也大大提高了系统的开放性和 降低系统的成本，这也是本课题提出的原因。 1 3 2 课题研究的意义 开放式数控系统是对传统封闭式数控结构的根本性突破，是当今数控技术的 发展主流和研究热点，更是新一代数控的关键技术。采用开放式体系结构的控 制系统，无论对控制系统开发商、机床厂还是最终用户均有益处。对控制系统 开发商，可在共同的标准平台上建立广泛的合作，实现厂家的协作式开发，这 将大大缩短系统的开发周期，减少投资，增强产品竞争力。对于机床生产厂， 不仅可以根据需要配置最合适的控制系统，而且可将自己独特的软件集成到系 统控制器中，形成自己的产品特色。最终用户可以说是开放式控制的最大受益 者，他们可以根据需要配置最合适的控制系统，而且可以根据需要选择产品， 配备合适的功能部件，实现系统的集成和扩展。同时，体系结构开放也使系统 的操作、维护更加方便。此外，控制系统结构的开放性也为数控技术能持续不 断地吸收日新月异的计算机硬软件最新成果创造了条件，有利于数控产品自身 的更新换代、提高性能、增强竞争力。这也正是开放式数控系统之所以被发达 国家视为重要的战略技术，纷纷投入研究的重要的原因 1 6 1 。 1 4 课题研究内容及拟解决的问题 针对国内外数控系统的研究现状，经过认真细致的调研和分析，本课题参考 美国成熟的控制系统e m c 2 ，研究开发了自己的数控系统。本课题的研究内容 8 第1 荦绪论 主要包括以下四大部分： e m c 2 控制系统的分析和研究 重点分析了e m c 2 增强型控制系统的内部结构，包括模块划分和定义、模 块间的通讯机制等。 基于q t 的数控系统界面开发 在分析了q t 开发工具的众多优点之后，结合e m c 2 控制系统，采用q t 编 写了e m c 2 控制系统的n m l 消息库接口文件，然后基于这个接口文件开发了 数控系统界面。 l i n u x 链路层收包发包程序设计 在介绍了l i n u xl i b p c a p 和l i b n e t 开发库的基础上，采用这些库提供的a p i ， 编写了基于链路层的收包和发包程序设计。 实时以太网通讯程序设计 结合实时以太网通讯协议，以直线插补为例，用面向对象的方法设计了实时 以太网通讯程序。 9 第2 帝e m c 2 数控系统卜俞 第2 章e m c 2 数控系统平台 2 1e m c 2 数控系统的历史 e m c 2 的前身是美国n i s t ( t h en a t i o n a li n s t i t u t eo fs t a n d a r d sa n d t e c h n o l o g y ) 开发的e m c 控制系统。e m c 的雏形是基于w i n d o w sn t 系统的 实时版本，采用p m a c 智能控制卡，来控制大型数控铣床的【1 刀。 现在的e m c 2 是建立在l i n u x 及其实时扩展r t a i ( r e a l t i m ea p p l i c a t i o n i n t e r f a c e ) 的基础之上，采用r c s n m l ( r e a l t i m ec o n t r o ls y s t e m n e u t r a l m e s s a g i n gl a n g u a g e ) 实现数控系统各个模块之间的通讯，并增加了很多新的特 征，例如，功能强大的硬件抽象层( h a l , h 础1 w a a b s t r a c t i o nl a y e r ) ，灵活的 软p l c 控制器( c l a s s i c l a d d e r ) 等，使用户可以根据自己的需要，简单编辑几 个配置文件，就能完成重配置，因此e m c 2 在很多领域得到了广泛的应用，例 如数控机床、机器人和坐标测量机( c o o r d i n a t e m e a s u r i n g m a c h i n e s ) 等。把e m c 2 用于三轴数控铣床的例子如图2 1 所示，e m c 2 运行在安装有l i n u x 及其实时扩 展r t a i 的p c 上，通过计算机并口驱动步进电机【】。 1 0 _ d s t e p p e rs t e p p e r d r i v e s m o t o r s 图2 1e m c 2 用于三轴数控铣床 山东人学硕l j 学位论文 2 2e m c 2 数控系统结构 e m c 2 主要包括四大模块、一个硬件抽象层( h a l ) 和一个软p l c 控制器 组件( c l a s s i c l a d d e r ) ，四大模块分别是g u i ( g r a p h i c a lu s e ri n t e r f a c e ) 模块、 运动控制器模块( m o t i o nc o n t r o l l e re m c m o t ) 、离散i o 控制器模块( d i s c r e t e i oc o n t r o l l e re m c i o ) 和任务执行器模块( t a s ke x e c u t o re m c t a s k ) ，e m c 2 总体结构及内部关系图如图2 2 所示。 图2 2e m c 2 总体结构和内部关系 ( 1 ) g i l l 模块 g u i 模块是e m c 2 系统中与机床操作者交互的模块。e m c 2 提供了多个用不 同开发工具开发的不同风格的标准g u i 1 8 】： e m c p a n e h 交互式命令行界面； k e y s t i c k ：基于字符的图形界面； x g i i l c 和y e m c ：基于xw i n d o w s 的界面； 第2 章e m c 2 数拧系统、严弁 e m c g u i ：基于j a v a 的g u i ： t k e m c 和m i n i ：基于t c l t k 的两个g u i ； a x i s ：基于o p e n g l 的g u i 这些标准g u i 可以被移植到多种操作系统平台，例如，基于脚本语言t c l t k 开发的t k e m c 和m i n i 两个g u i ，可以运行在l i n u x 、m a c 和m i c r o s o f tw i n d o w s 等多种平台上，只要这些平台上安装了t c l t k 编程语言。当实时e m c 2 运行在 一个l i n u x 平台上，m a c 和m i c r o s o f tw i n d o w s 平台的e m c 2g u i 可以通过网络 连接到运行在l i n u x 平台上的e m c 2 系统，这实现了机床用户对数控机床的远 程监控。 ( 2 ) e m c t a s k 模块 任务执行器模块负责g 代码和m 代码程序的解释，它主要包括两大部分， 即任务规划器( t a s kp l a n n e r ) 和n c 代码解释器( i n t e r p r e t e r ) 。任务规划器负 责整个数控系统的全部功能，例如，处理系统状态在手动( m a n u a l ) 、自动( a u t o ) 和m d i ( m a n u a ld e v i c ei n p u t ) 三种工作模式之间的切换等，另外它还能直接 处理很多标准指令；解释器( i n t e r p r e t e r ) 用来解释g 代码，并生成标准指令。 n c 代解释器只在自动和m d i 两种工作模式下有效，在这两种模式下，任务规 划器将其调入标准指令等待队列等候处理。 ( 3 ) e m c m o t 和e m c i o 模块 运动控制任务包括对各轴的位置采样，然后计算出运动轨迹的下一个命令 位置并进行插补，最后将插补结果经过处理后输出到电机。对于伺服系统来说， 这种处理是p i d 补偿运算；而对于步进电机来说，由于是开环系统，输出到步 进电机的脉冲基于累计位置与命令位置之间的差距是否大于一个脉冲位置。运 动控制器包括可编程软件限位、硬件限位接口和回零开关。 在早期的e m c 系统中，运动控制器和i o 控制器是两个完全独立的模块， 离散i o 控制器是一个很重要的模块，它对所有的机床相关的硬件及其行为都 提供了支持，因此机床用户可以根据自己的需要进行配置。后来，随着e m c 2 系统的不断改善和提高，特别是h a l 的出现，使i o 控制器的大部分功能被 h a l 取代，也才有了现在的软p l c ( p r o g r a m m a b l el o g i cc o n t r o l l e r ) 控制器组 件，它实现了和硬p l c 相似的功能，如换刀等。然而，为了某些特殊需要，最 山东人学硕 学位论文 初的体系结构还是被保留了下来，因此在现在e m c 2 的代码实现中，i o 控制 器仍然是作为一个独立的模块实现的，只是功能大大减少。以换刀为例，换刀 过程中可能需要运动，这就需要运动控制器与i o 控制器保持同步，这也是图 2 2 中把运动控制器和i o 控制器作为一个模块对待的原因，而且所有与上层 e m c t a s k 的通讯都经过同一个命令队列、旁路和状态通道，其中旁路用于处 理不经过队列的命令，通常是需要立刻执行的命令，比如a b o r t 等。 但是另一方面，在e m c 2 的实现中并没有把软p l c 控制器组件和i o 控制 器模块放到一起，有几方面的原因，其中最重要的原因是，i o 控制器模块是一 个用户空间任务，而p l c 控制器组件运行于实时空间。p l c 控制器是作为一个 纯粹的h a l 组件实